考慮實(shí)時(shí)備用率的中長時(shí)間尺度新能源發(fā)電備用的方法

梁振鋒, 范新偉, 張 娉, 王開艷

(1. 西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2. 中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

1 引言

為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo),風(fēng)電和光伏發(fā)電的滲透率將進(jìn)一步增加,我國將構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1,2]。

為了應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng),電力系統(tǒng)中需要配置負(fù)荷備用容量。對(duì)于新型電力系統(tǒng),新能源發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性等不確定性增加了系統(tǒng)的備用需求[3,4]。新型電力系統(tǒng)的負(fù)荷備用包括:①燃油燃?xì)廨啓C(jī)、水電、抽水蓄能[5]等調(diào)峰機(jī)組、火電機(jī)組深度調(diào)峰改造及儲(chǔ)能備用、系統(tǒng)間備用等新型備用[3,6-8];②風(fēng)電等新能源電源[9-14];③需求側(cè)響應(yīng)[14-16]等。文獻(xiàn)[6-8]考慮了風(fēng)電、光伏發(fā)電出力的預(yù)測(cè)誤差,優(yōu)化了機(jī)組出力及旋轉(zhuǎn)備用計(jì)劃,但其負(fù)荷備用仍為水電、火電等傳統(tǒng)機(jī)組。對(duì)于新型電力系統(tǒng),傳統(tǒng)機(jī)組不能滿足熱備用需求,因此要求新能源電源具備一次調(diào)頻能力。隨著出力預(yù)測(cè)精度的提高,新能源具備了作為負(fù)荷備用的條件。文獻(xiàn)[9-14]提出利用風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源作為備用。在我國新能源發(fā)電尚未大規(guī)模并網(wǎng)時(shí),文獻(xiàn)[9]提出了風(fēng)火互濟(jì)旋轉(zhuǎn)備用運(yùn)行方式,指出優(yōu)先調(diào)度風(fēng)電且允許棄風(fēng)比全額接納風(fēng)電更合理。文獻(xiàn)[10]提出風(fēng)電預(yù)留備用容量參與系統(tǒng)調(diào)頻控制。文獻(xiàn)[11]利用風(fēng)電柔性爬坡容量來減少爬坡階段常規(guī)機(jī)組的向上、向下爬坡備用容量。文獻(xiàn)[12,13]基于新能源的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征,考慮新能源消納和電網(wǎng)安全,提出了新能源發(fā)電作為備用的兩種方法:①利用新能源發(fā)電出力的概率分布將新能源出力納入備用;②置信區(qū)間法,即根據(jù)新能源出力預(yù)測(cè)誤差的概率分布獲取預(yù)測(cè)值的置信區(qū)間,再根據(jù)置信區(qū)間下邊界確定備用容量。文獻(xiàn)[14]考慮風(fēng)電、需求響應(yīng),提出多場(chǎng)景概率熱備用優(yōu)化方法。由文獻(xiàn)[9-14]可見,現(xiàn)有研究多以固定比例新能源出力作為備用電源,當(dāng)備用需求變化時(shí)只能調(diào)整傳統(tǒng)機(jī)組,靈活性和經(jīng)濟(jì)性均較差。另一方面,現(xiàn)有研究多以日調(diào)度為對(duì)象,未從月度或年度等調(diào)度和規(guī)劃角度分析優(yōu)化新能源備用。文獻(xiàn)[15,16]利用需求側(cè)響應(yīng)資源,令柔性負(fù)荷和可控負(fù)荷參與至系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用。需求響應(yīng)資源作為旋轉(zhuǎn)備用的研究尚處于起步階段。

針對(duì)將固定比例新能源作為備用存在的問題,本文提出了新能源可信出力實(shí)時(shí)備用率的確定方法。首先,通過不確定性建模方法獲取新能源中長期出力時(shí)間序列。其次,以生產(chǎn)成本最小為優(yōu)化目標(biāo),考慮功率平衡約束、備用約束、各類機(jī)組出力約束,建立將新能源納入備用的電力生產(chǎn)模型。最后,將中長期優(yōu)化問題化簡為短期優(yōu)化問題,利用CPLEX求解器求解模型。算例計(jì)算表明所建模型更符合新型電力系統(tǒng)的備用需求。

2 新能源不確定性建模

短時(shí)間尺度下,風(fēng)電、光伏發(fā)電出力波動(dòng)大、規(guī)律性差,但在月、年尺度下風(fēng)電、光伏發(fā)電出力具有較強(qiáng)規(guī)律性[17]。電力系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行與分析建模時(shí),通常采用時(shí)序模擬獲取新能源隨機(jī)出力的時(shí)序序列,分析其不確定性和隨機(jī)性對(duì)電力系統(tǒng)生產(chǎn)的影響。新能源不確定性建?？煞从承履茉粗虚L期時(shí)間尺度的隨機(jī)性和波動(dòng)性,其出力時(shí)序序列數(shù)據(jù)可為新型電力系統(tǒng)生產(chǎn)模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

首先,根據(jù)風(fēng)速、光照強(qiáng)度歷史數(shù)據(jù),以風(fēng)速服從威爾分布、光照服從貝塔分布計(jì)算風(fēng)電、光伏發(fā)電出力的概率分布參數(shù)[18]。其次,對(duì)新能源歷史數(shù)據(jù)拉丁抽樣,通過k-medoids聚類得到日出力代表性場(chǎng)景,建立不確定性模型[19]。最后,消除數(shù)據(jù)冗余[20],得到最終的時(shí)序出力。

3 納入新能源為備用的工作原理

對(duì)于新型電力系統(tǒng),傳統(tǒng)機(jī)組難以滿足備用需求,有必要將風(fēng)電、光伏發(fā)電納入備用?？紤]新能源出力可信準(zhǔn)確率[7],利用第2節(jié)獲取的時(shí)序數(shù)據(jù)計(jì)算新能源可信出力。根據(jù)系統(tǒng)備用需求,實(shí)時(shí)調(diào)整新能源可信出力的備用容量。

電力系統(tǒng)功率平衡方程為:

(1)

需要指出的是,本文研究對(duì)象是中長時(shí)間尺度下的備用率優(yōu)化問題,因此認(rèn)為“t時(shí)段”內(nèi)各電源實(shí)際出力或最大出力不變。

系統(tǒng)備用約束為:

(2)

由式(2)可見,新能源發(fā)電納入備用有助于減小傳統(tǒng)機(jī)組啟停頻率、降低開關(guān)機(jī)成本。

在已有方法[9-14]中,βt為固定值。本文βt采用變量,即βt為實(shí)時(shí)備用率,將根據(jù)系統(tǒng)需求實(shí)時(shí)調(diào)整新能源可信出力的備用容量。

4 新能源電源納入備用的電力生產(chǎn)模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以生產(chǎn)成本最小為優(yōu)化目標(biāo)。生產(chǎn)成本包括發(fā)電機(jī)運(yùn)行及開關(guān)機(jī)成本、排污治理成本和風(fēng)電、光伏發(fā)電棄電及切負(fù)荷懲罰成本等。

(3)

(4)

(5)

4.2 約束條件

4.2.1 系統(tǒng)約束

(1)功率平衡

運(yùn)行中電力系統(tǒng)功率平衡如式(6)所示。

(6)

(2)備用約束

(7)

式中,I為機(jī)組數(shù)。

4.2.2 機(jī)組出力約束

(1)風(fēng)電、光伏發(fā)電

風(fēng)電、光伏發(fā)電實(shí)時(shí)出力與備用功率之和應(yīng)小于其最大出力。

(8)

(9)

(2)燃煤機(jī)組

考慮到運(yùn)行安全,燃煤機(jī)組存在最大、最小技術(shù)出力限制及爬坡約束[21]。

(10)

Pi,tmin≤Pi,t≤Pi,tmax

(11)

(12)

(3)燃油、燃?xì)夂秃穗姍C(jī)組

與燃煤機(jī)組類似,燃油、燃?xì)夂秃穗姍C(jī)組也要考慮最大、最小技術(shù)出力限制及爬坡約束。

(4)水電機(jī)組

考慮到運(yùn)行安全,水電機(jī)組出力變化速率受庫容大小、出庫流量和入庫流量、強(qiáng)迫出庫流量大小等限制。

(13)

(14)

(15)

(5)光熱電站

光熱電站約束包括集熱場(chǎng)和儲(chǔ)熱罐熱量動(dòng)態(tài)平衡、發(fā)電出力限制及其爬坡限制。

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(6)電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能需要滿足充電最大功率、儲(chǔ)能容量、荷電狀態(tài)平衡等約束。

(24)

0≤SOCi,t≤SOCi,max

(25)

(26)

(27)

(7)抽水蓄能

抽水蓄能電站需滿足發(fā)電、抽水功率和水庫庫容、發(fā)電效率等約束[22]。

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(8)邏輯變量約束

(34)

4.3 光伏、風(fēng)電單獨(dú)納入備用

光伏發(fā)電夜間無出力,而風(fēng)電“反調(diào)峰”。因此,光伏發(fā)電與風(fēng)電可獨(dú)立納入備用,如式(35)和式(36)所示。

(35)

(36)

5 模型求解方法

本文建立的新能源納入備用的電力生產(chǎn)模型含有多種類型電源,考慮了機(jī)組出力大小變量和開關(guān)機(jī)狀態(tài)的0、1變量,是一個(gè)混合整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化模型,變量數(shù)量多、約束類型多,常規(guī)方法求解困難,本文調(diào)用CPLEX求解模型。在求解較長時(shí)間尺度的電力生產(chǎn)過程時(shí),因變量累積和內(nèi)存限制,需要較長計(jì)算時(shí)間才可得到最優(yōu)解,因此需要化簡模型。采用時(shí)間迭代的方法[23,24]將待求解模型化簡為短期優(yōu)化問題,以減少變量、降低求解復(fù)雜度。圖1為本文方法的計(jì)算流程圖。

圖1 計(jì)算流程圖Fig.1 Calculation flow chart

首先,輸入風(fēng)速、光照、機(jī)組及其運(yùn)行成本、負(fù)荷及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù),計(jì)算新能源出力時(shí)序序列。其次,建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、等式和不等式約束,置零求解時(shí)長標(biāo)志字T。最后,調(diào)用CPLEX以T1時(shí)間周期求解優(yōu)化模型,令T=T+T1。比較T與模擬計(jì)算時(shí)長Tset,若TTset,則計(jì)算完成,輸出各時(shí)段機(jī)組出力及新能源的實(shí)時(shí)備用率。

6 算例分析

6.1 模型及參數(shù)

本文基于IEEE-24[25]節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),用文獻(xiàn)[26,27]中水電、核電、燃?xì)狻⑷加?、風(fēng)電、光伏、光熱、抽水蓄能等電源替換部分火電機(jī)組構(gòu)成改進(jìn)IEEE-24節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),如圖2所示。計(jì)算所用計(jì)算機(jī)型號(hào)為IntelI5-4200H。算例中,Tset為720 h,T1為168 h,求解間隙設(shè)為0.005%,一次求解時(shí)間上限為1 500 s。計(jì)算中,負(fù)荷備用率設(shè)為5%,新能源備用成本為棄風(fēng)棄光成本[28-30],此處的棄風(fēng)、棄光為用于備用而未被利用的部分。表1為光熱電站機(jī)組參數(shù),表2為抽水蓄能電站參數(shù),表3為儲(chǔ)能參數(shù),表4為傳統(tǒng)機(jī)組參數(shù),表5為水電機(jī)組參數(shù),表6為成本參數(shù)。風(fēng)電、光伏發(fā)電容量根據(jù)新能源滲透率確定,風(fēng)電占60%。

表1 光熱電站機(jī)組參數(shù)Tab.1 Unit parameters of solar-thermal power station

表2 抽水蓄能電站參數(shù)Tab.2 Parameters of pumped storage power station

表3 儲(chǔ)能參數(shù)Tab.3 Energy storage parameters

表4 傳統(tǒng)機(jī)組參數(shù)Tab.4 Parameters of conventional units

表5 水電機(jī)組參數(shù)Tab.5 Parameters of hydropower units

表6 成本參數(shù)Tab.6 Cost parameters

圖2 IEEE RTS-24節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱DFig.2 IEEE RTS-24 node topology

6.2 未將新能源納入備用時(shí)的運(yùn)行成本

不考慮新能源納入備用,進(jìn)行電力生產(chǎn)模擬計(jì)算,表7為不同新能源滲透率時(shí)的計(jì)算結(jié)果。

表7 未將新能源納入備用時(shí)不同新能源滲透率電力生產(chǎn)模擬計(jì)算結(jié)果Tab.7 Simulation results of power production under different new energy permeability when new energy is not included in reserve (單位:萬$)

由表7可知,新能源滲透率與系統(tǒng)總成本正相關(guān)。滲透率為50%時(shí),雖然煤耗和污染治理成本低,但棄電、棄負(fù)荷成本幾乎等于總成本。因此,隨著滲透率的增加,需將新能源納入熱備用。

需要指出的是,新能源棄電為新型電力系統(tǒng)中未能消納的新能源電量。與備用成本中的棄風(fēng)棄光不同。

6.3 新能源以固定比例納入備用時(shí)的運(yùn)行成本

滲透率為30%時(shí),將固定比例新能源出力作為備用,表8給出了將新能源實(shí)時(shí)出力的5%、10%、15%、20%和30%納入備用的電力生產(chǎn)模擬計(jì)算結(jié)果。

表8 不同比例新能源納入備用時(shí)的計(jì)算結(jié)果Tab.8 Simulation results of different proportion of new energy serving as reserve (單位:萬$)

由表8可知,隨著納入備用比例的增加,煤耗和開關(guān)機(jī)成本降低,但總成本持續(xù)升高。與表7新能源發(fā)電未納入備用相比,總成本分別提高了0.53%、1.1%、1.3%、1.52%、1.32%,主要是因?yàn)樾履茉磦溆贸杀镜脑黾?。由于備用成本的增?將固定比例新能源納入備用,經(jīng)濟(jì)性較差。因此需要合適的備用比例以有助于系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。

表9為不同新能源滲透率情況下固定比例15%備用率的計(jì)算結(jié)果。

表9 不同滲透率下新能源出力15%納入備用計(jì)算結(jié)果Tab.9 Calculation results of 15% new energy included in reserve under different permeability (單位:萬$)

由表9可知,隨著滲透率的提高,雖然煤耗和排污成本減少,但儲(chǔ)能運(yùn)行成本和系統(tǒng)備用成本大幅增加,導(dǎo)致總成本升高。但與表7未將新能源電源作為備用相比,在新能源滲透率為40%、50%時(shí)運(yùn)行總成本降低44.87%和76.59%,主要是新能源棄電和棄負(fù)荷成本大幅降低。可見在新型電力系統(tǒng)中,將固定比例新能源納入備用也會(huì)大幅降低運(yùn)行總成本。

6.4 新能源實(shí)時(shí)備用時(shí)的運(yùn)行成本

計(jì)算新能源可信出力準(zhǔn)確率30%、滲透率30%時(shí)各時(shí)段的實(shí)時(shí)備用率。表10為采用實(shí)時(shí)備用率和未將新能源納入備用時(shí)的運(yùn)行成本對(duì)比。

表10 新能源實(shí)時(shí)納入備用和未納入備用時(shí)的電力生產(chǎn)結(jié)果Tab.10 Results of power production with and without new energy in real-time reserve (單位:萬$)

由表10可知,新能源采用實(shí)時(shí)備用率,系統(tǒng)運(yùn)行總成本比未將新能源納入備用低。本文方法顯著降低傳統(tǒng)機(jī)組燃料成本、開關(guān)機(jī)運(yùn)行成本和儲(chǔ)能運(yùn)行成本,也可減少棄風(fēng)棄光、降低污染排放。與表8相比,運(yùn)行總成本比將固定比例新能源納入備用更低。采用實(shí)時(shí)備用率后的電量缺額由傳統(tǒng)機(jī)組補(bǔ)充,雖增加煤耗和排污成本,但運(yùn)行總成本更低。

表11為將新能源納入備用和未納入備用時(shí)傳統(tǒng)機(jī)組開關(guān)機(jī)次數(shù)和最大利用小時(shí)數(shù)。

表11 新能源實(shí)時(shí)納入備用和未納入備用的開關(guān)機(jī)次數(shù)和機(jī)組最大利用小時(shí)結(jié)果Tab.11 Number of switches and maximum utilization hours of units with and without new energy in real time

由表11可知,與未將新能源納入備用比,本文方法減少了火電機(jī)組的開關(guān)機(jī)次數(shù)。

圖3為新能源的實(shí)時(shí)備用率?？芍?dāng)備用資源不足時(shí),新能源可信出力將全部納入備用,而備用資源充足時(shí)新能源將全部參與電力平衡。

圖3 新能源的實(shí)時(shí)備用率Fig.3 Real-time reserve ratio for new energy

6.5 不同滲透率新能源實(shí)時(shí)備用的運(yùn)行成本

新型電力系統(tǒng)的建設(shè)將經(jīng)歷數(shù)十年時(shí)間,表12為不同滲透率新能源實(shí)時(shí)備用的計(jì)算結(jié)果。

表12 不同滲透率新能源實(shí)時(shí)備用計(jì)算結(jié)果Tab.12 Calculation results of new energy serving as reserve under different penetration rates of new energy (單位:萬$)

由表12可知,隨著滲透率的提高,儲(chǔ)能運(yùn)行和機(jī)組開關(guān)機(jī)的成本明顯增加,其原因是滲透率越高,系統(tǒng)的不確定性和電源出力的波動(dòng)性也越大。同時(shí),新能源實(shí)時(shí)備用率的增加會(huì)使火電利用小時(shí)數(shù)減小,煤耗成本和污染排放量也將減少。

又由表12可知,新能源滲透率為15%、20%、30%、40%、50%時(shí),本文方法的運(yùn)行總成本與新能源未納入備用相比,分別降低-15.48%、-8.09%、9.66%、54.72%、84.87%。即滲透率<30%時(shí),本文方法反而會(huì)增加運(yùn)行總成本,但滲透率≥30%時(shí),本文方法的經(jīng)濟(jì)效益隨滲透率的提高顯著增加。因此,本文方法適用于新型電力系統(tǒng)。

圖4為不同滲透率下的實(shí)時(shí)備用率。其中圖4(a)為滲透率為25%、50%時(shí)720 h實(shí)時(shí)備用率,圖4(b)為滲透率為15%、20%、25%、30%、40%、50%時(shí)168 h的實(shí)時(shí)備用率。由圖4可知,不同滲透率實(shí)時(shí)備用率的趨勢(shì)相同,在備用不足時(shí),新能源按可信出力全部納入備用;當(dāng)備用充分時(shí),新能源全部參與電力電量平衡。

圖4 不同滲透率新能源的實(shí)時(shí)備用率Fig.4 Real-time reserve ratio of new energy under different permeability

6.6 光伏、風(fēng)電獨(dú)立實(shí)時(shí)備用的運(yùn)行成本

光伏發(fā)電與風(fēng)電可分別作為系統(tǒng)備用,表13為二者獨(dú)立實(shí)時(shí)備用的成本,表14為光伏、風(fēng)電獨(dú)立納入備用時(shí)的開關(guān)機(jī)次數(shù)和機(jī)組最大利用小時(shí),圖5為二者單獨(dú)納入備用情況下光伏、風(fēng)電各時(shí)刻的實(shí)時(shí)備用率。

表13 光伏、風(fēng)電獨(dú)立納入備用與新能源整體納入備用的計(jì)算結(jié)果Tab.13 Calculation results of photovoltaic and wind power separately included in reserve and integrated into reserve (單位:萬$)

圖5 風(fēng)電、光伏發(fā)電單獨(dú)納入系統(tǒng)備用的實(shí)時(shí)備用率Fig.5 Real-time reserve ratio of wind power and photovoltaic power generation separately incorporated into system reserve

由表13可知,光伏發(fā)電、風(fēng)電采用實(shí)時(shí)備用率獨(dú)立備用與新能源整體納入備用比,由于常規(guī)機(jī)組開關(guān)機(jī)成本的增加,總成本增加了1.9%;但由于新能源棄電和棄負(fù)荷成本為0,備用成本降低10%。光伏發(fā)電和風(fēng)電的出力特性存在差異,合理調(diào)整各時(shí)段兩種能源的備用率,在運(yùn)行總成本變化不大基礎(chǔ)上,有利于降低儲(chǔ)能運(yùn)行、新能源備用和排污處理的成本。由圖5可知,風(fēng)電、光伏不同時(shí)刻的實(shí)時(shí)備用率不同。

由表14可知光伏發(fā)電、風(fēng)電獨(dú)立備用時(shí)能減少大型機(jī)組U350開關(guān)機(jī)次數(shù),且U12燃油機(jī)組處在備用狀態(tài),未參與系統(tǒng)調(diào)度,提高了系統(tǒng)備用容量。

7 結(jié)論

本文以生產(chǎn)成本最小為優(yōu)化目標(biāo),考慮機(jī)組運(yùn)行及開關(guān)機(jī)、新能源棄電和棄負(fù)荷懲罰等成本,提出了新能源實(shí)時(shí)備用率的優(yōu)化方法。算例計(jì)算可得以下結(jié)論:

(1)根據(jù)運(yùn)行需要采用實(shí)時(shí)備用率調(diào)整各時(shí)段新能源備用容量可降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

(2)新能源滲透率的增加會(huì)增加棄電、棄負(fù)荷成本。新能源實(shí)時(shí)備用后,煤耗雖小幅增加,但運(yùn)行總成本大幅下降。

(3)光伏、風(fēng)電獨(dú)立實(shí)時(shí)備用,可降低儲(chǔ)能運(yùn)行、新能源備用和污染治理的成本。

隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,靈活性資源將愈加缺乏,需求響應(yīng)將得到重視和發(fā)展。進(jìn)一步,應(yīng)該開展考慮需求響應(yīng)的新能源電源備用率的研究。